المجتمعات الميكروبية في الطبيعة ومختبر -- مقابلة

اسمي إد ديلونج، وأنا أستاذ في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. أشغل في الواقع تعيينًا مزدوجًا في كل من الهندسة المدنية والبيئية والهندسة البيولوجية، وهو ما قد يبدو مزيجًا غير مألوف لأنني أعمل في مجالين مختلفين تمامًا. ويتعلق أحد جوانب أبحاثنا بالبيئة، وتحديدًا بالكائنات الدقيقة، وكيفية تأثيرها على البيئة، وكيف تؤثر البيئة عليها، وهذا هو الجزء المدني والبيئي من برنامجنا.

أما الأمر الآخر الذي ندرسه فيتعلق أكثر بالهندسة البيولوجية. ما الذي يدفع الميكروبات للعمل؟ وكيف تتركب بنيتها؟

كيف تعمل الأجزاء المختلفة التي يتكون منها الميكروب أو الميكروبات أو المجتمعات الميكروبية معاً في تآزر؟ لذا، فإن هذا النوع من التحالف بين هذين المجالين يعمل بشكل جيد للغاية. خلفيتي الخاصة هي في علم الأحياء الدقيقة العام، ممتزجة قليلاً مع علم المحيطات.

لقد حصلت على شهادتي في البكتيريا من جامعة كاليفورنيا ديفيس (uc Davis)، وهي درجة البكالوريوس. ثم حصلت على درجة الدكتوراه من معهد سكريبس لعلوم المحيطات (Scripps Institute of Oceanography). وفي الواقع، فإن تخصصي في الدكتوراه هو البيولوجيا البحرية، إن كان بإمكانكم تصديق ذلك.

وها أنا الآن في معهد MIT. كيف حدث ذلك؟ لقد شهد مجال علم الأحياء الدقيقة تغيرات سريعة للغاية.

وكان أحد المؤثرات، بل المؤثرات الكبيرة، على ما نفهمه عن الميكروبات الآن هو التقدم التكنولوجي في مجال علم الجينوم. ففي العادة، يصعب تحديد هوية الميكروبات عند فحصها تحت المجهر؛ إذ توجد أشكال وأحجام مختلفة، لكنها لا تخبرنا الكثير عن ماهية ذلك الكائن أو طبيعة نشاطه.

وبالتالي، عادةً ما كان علماء الأحياء الدقيقة مقتصرين إلى حد كبير على دراسة الميكروبات في المختبر، وهو أمر كان فعالاً للغاية. ويعتبر هذا التوجه بمثابة امتداد لعلم الأحياء الدقيقة الطبي؛ حيث يمكنك عزل ميكروب من البيئة، تماماً كما يمكنك عزل مادة كيميائية.

وبمجرد حصولك على ذلك الميكروب النقي، أو ذلك النوع الميكروبي النقي، يمكنك التعرف على نمطه الظاهري، وخصائصه، والسمات المختلفة التي تسمح له بالعمل في البيئة، وما إلى ذلك. ومع ذلك، هناك مشكلتان في هذا الصدد فيما يتعلق بفهم العالم الميكروبي بأكمله؛ وهي أن الميكروبات في المختبر لا تتصرف دائماً بنفس الطريقة التي قد تتصرف بها في البيئة.

أما المشكلة الأخرى، وهي الأكبر حجماً، فهي أن الأنواع الميكروبية، في معظمها، يصعب استئناسها حقاً. إذ إن "حدائق الحيوان الميكروبية" التي نمتلكها في المختبر لا تمثل عادةً سوى 0.1% تقريباً مما هو موجود في الطبيعة. وبذلك، يوجد جزء هائل من العالم الميكروبي لم نتمكن ببساطة من زراعته في المختبر حتى الآن، وبالتالي فإننا لا نفهمه.

ومع ذلك، فإن هذا يمثل الجزء الأكبر من الكتلة الحيوية في الطبيعة. وهناك أسباب عديدة تجعل ذلك أمراً هاماً، ولكن أحد الأسباب الرئيسية هو أن الميكروبات هي المحركات، إن جاز التعبير، لعمليات تحول الطاقة والمادة في الطبيعة.

لذا، فإن تدفقات أشياء مثل غازات الدفيئة أو الطاقة عبر الأنظمة البيئية، والتي تكون هائلة من حيث النسب لبعض هذه الغازات التي نتحدث عنها، حيث يتم توسط تدفقات تقدر بجيجاتونات سنوياً بواسطة الأنواع الميكروبية بطريقة موزعة، رغم صغر حجمها الشديد. إن قوة الأعداد والطبيعة الموزعة للعالم الميكروبي في جميع أنحاء كوكبنا هي التي تساهم في نقل كميات كبيرة من الكتلة والطاقة.

وهذا يمثل أحد الأسباب المقنعة لفهم الميكروبات في بيئتها الطبيعية، وفهمها في الطبيعة. وبمجرد بروز علم الجينوم، أصبح تسلسل الجينومات الميكروبية الكاملة أسهل وأرخص فأرخص. وبالطبع، بدأ هذا يحدث في منتصف التسعينيات تقريباً.

وبمجرد أن بدأ ذلك يحدث، أدرك الناس أنه يمكن استخدام تلك التقنيات ذاتها للتعرف على خصائص الجينومات للميكروبات في البيئة الطبيعية دون الحاجة حتى إلى استزراعها. وهذا الأمر يُعد بمثابة تفرع من دراسات سابقة أجراها كل من Carl woes و norm pace. وفي منتصف الثمانينيات، أدرك norm pace أنه بمقدوره تحديد هوية الميكروبات دون الحاجة إلى تنميتها.

وقد تم القيام بذلك من خلال الذهاب إلى أي موئل ميكروبي وعزل الكتلة الحيوية، ومن ثم استخلاص إما DDNA أو RNA من تلك الأحماض النووية. وبناءً على ذلك، يمكن للمرء، على سبيل المثال، تسلسل الجزيئات ذات الدلالة التصنيفية مثل ribosomal RNAs، وبذلك يتم الحصول على قائمة بأنواع مختلفة من ribosomal RNAs.

إنها تشبه إلى حد كبير الرموز الشريطية لأنواع تصنيفية محددة. وبإمكانك تحديد أنواع الميكروبات في أي موطن بيئي معين. تكمن محدودية هذا النهج في أن كل ما تملكه هو جين RN.

إنها تخبرك بهوية الميكروب، ولكنها لا تخبرك بالضبط بما يفعله. لذا، مع تطبيق علم الجينوم الآن، يمكنك المضي خطوة إلى الأمام؛ إذ يمكنك عزل الأحماض النووية من أي موئل ميكروبي يخطر ببالك، وذلك باستخدام مجموعة متنوعة من التقنيات. قم بعزل شظايا جينومية كبيرة، والتي تعد بعضها من البروتوكولات التجريبية التي سنعرضها لكم اليوم.

أو يمكنك تكسير ذلك الحمض النووي DNA إلى قطع صغيرة وإجراء تسلسل شوتجن (shotgun sequencing). وأسهل طريقة لتصور ذلك هي أنك تحصل على قائمة أجزاء لمكونات جميع الميكروبات التي شكلت ذلك المجتمع. وهذه قائمة أجزاء لم يكن بإمكاننا الوصول إليها من قبل.

وبناءً على قائمة الأجزاء تلك، يمكننا نوعاً ما تحليل مكونات الميكروبات الموجودة هناك، ومعرفة بعض وظائفها المحتملة. وفي الواقع، فإن ما ننتهي به هو وضع فرضيات يمكننا لاحقاً اختبارها باستخدام الوسائل البيوكيميائية، أو الوسائل الفسيولوجية من خلال العودة إلى البيئة وتتبع الجينات في المكان والزمان.

وقد أُطلق على هذا المجال بأكمله الذي تطور، والذي يدمج علم الجينوم مع النهج البيئية، حالياً اسم الميتاجينوميات (metagenomics) أو علم الجينوم البيئي. وما نجده اليوم هو أن هذه الأنواع من المنهجيات تُطبق في العديد من الموائل المختلفة، في التربة، وفي البيئات الزراعية، وفي المحيطات. وكانت إحدى أولى وأكبر الدراسات من هذا النوع قد أجراها كراي فينتر في بحر سارجاسو، بالإضافة إلى دراسات هامة أخرى حول الميكروبيوم البشري.

قد لا يدرك معظم الناس أن عدد الخلايا الميكروبية المرتبطة بجسم الإنسان تفوق عدد الخلايا البشرية. فهناك ما يقرب من 10¹⁴ من الميكروبات مقابل 10¹³ فقط منا. لذا، أحب أن أقول أحيانًا إن الخالق لا بد وأنه قد منح الميكروبات مكانة خاصة، لأن عددها أكبر من عددنا.

لكن هذه المفاهيم مهمة حقاً. فكر فينا؛ فنحن لسنا بمفردنا أبداً.

نحن نحمل معنا دائماً مجتمعاً ميكروبياً يمتلك على الأرجح العديد من الوظائف المختلفة. وهناك أدلة حالياً على أن المكون الميكروبي، في واقع الأمر، قد يكون له تأثير كبير في بعض الاضطرابات مثل السمنة على النمط الظاهري البشري بشكل أساسي، وعلى مقدار الطاقة التي نستخلصها أو لا نستخلصها من مصادر غذائنا. لذا، فنحن نظام حي لا يتكون منا فحسب، بل ومن التكافل، إن جاز التعبير، الذي نحمله معنا.

إن ما تتيحه لنا هذه المقاربات الجديدة باستخدام علم الجينوم هو البدء في تحليل تلك الأجزاء من العالم البيولوجي التي لم نكن قادرين على دراستها من قبل، وهنا تكمن قوتها. وما يحدث في هذا المجال حالياً يتجاوز مجرد تجميع قائمة بالأجزاء، بل يمتد ليصل حقاً إلى إدراك وجود ديناميكية حقيقية تجري.

في البداية، عندما بدأ تسلسل الجينومات، كان تسلسل الجينوم الواحد يُنظر إليه ككيان فردي؛ فلديك سلالة نقية من ميكروب ما، ولها جينوم محدد، ويمكنك تحديد، على سبيل المثال، 2 مليون قاعدة أو زوج قاعدي يشكل ذلك الجينوم. ويبدو الأمر وكأنه كيان ثابت واستاتيكي للغاية. ومع ذلك، ما وجدناه عندما نظرنا إلى الطبيعة هو أنه نادراً ما يوجد شيء مثل سلالة واحدة من الميكروب.

عندما تنظر إلى هذه المجموعات الميكروبية الطبيعية، ستجد أن هناك نمطاً، نمطاً جينومياً يتم بناء النوع حوله، إن صح التعبير. ولكن في أي مجموعة معينة، يوجد العديد والعديد من المتغيرات، وتنوعات كثيرة على ذلك النمط، وسلالات متعددة. وما بدأنا نلاحظه هو أن الجينومات ليست كيانات ثابتة في الواقع، بل هي في تغير مستمر.

إنها كائنات ديناميكية، وهي تقوم بذلك بالفعل ضمن المجموعات الإحيائية. لذا، يمكنكم تصور أنه مع وجود تغيرات طفيفة في البيئة قد تتعلق بالمغذيات أو درجة الحرارة أو الملوحة، فإن نسبة من تلك المتغيرات في المجموعة الإحيائية يمكنها الاستجابة لهذا التغير البيئي بشكل أفضل قليلاً.

وهناك تحول مستمر، ولكنها هي الأخرى تتغير أيضاً. وبالتالي، يتم توفير التباين باستمرار عن طريق الانحراف الحيادي ثم يتم التأثير عليه بواسطة الانتقاء. وهذا يمنح المرء وجهة نظر مختلفة، ورؤية أكثر ديناميكية لما تكون عليه الجينومات.

والأمر أكثر من ذلك، فبدلاً من الحصول على صورة ثابتة للجينوم، يبدو الأمر وكأننا نشاهد فيلماً سينمائياً. وأحد الجوانب القوية في بعض الدراسات الجديدة هو أننا بدأنا في الحصول على اللقطات الثابتة التي تمكننا من تكوين الصورة المتحركة لكيفية تطور الجينومات، وما يعنيه ذلك فيما يتعلق بالنمط الظاهري للكائن الحي واستجابته للبيئة وتأثيره عليها أيضاً. لذا، فإن هذا الأمر مثير للغاية حقاً لأنه يمثل مجالاً جديداً في علم الأحياء الدقيقة؛ إذ إن علم وراثة العشائر، رغم أن المرء قد يظن أنه متطور في علم الأحياء الدقيقة، إلا أنه ليس كذلك في الواقع لأننا لم نكن نمتلك وسيلة لدراسة وراثة العشائر الميكروبية الطبيعية بطريقة مفصلة للغاية.

وهناك جانب آخر من هذا النوع من الأبحاث، وهو أننا نستطيع الآن التعمق في علم وراثة الجماعات وعلم الجينوم الجماعي لمتابعة تسلسل الأحداث كأنه فيلم سينمائي. وهذا أمر قوي للغاية وله العديد من الآثار العملية على فهمنا لكيفية اكتساب الميكروبات للوظائف، وكيفية انتشار الوظائف والخصائص عبر المجتمعات الميكروبية. ومن الأمور المفاجئة بالنسبة لنا أنها تغير قليلاً تصورك حول كيفية انتقال الخصائص المظهرية، أو كيف يمكن للخصائص الوظيفية أن تنتقل بين الكائنات الدقيقة؛ ففي البيولوجيا، وبطبيعة الحال، عندما نفكر في بيولوجيا الكائنات الجنسية، فإننا نفكر عادةً في انتقال السمات من الأم إلى الابنة وهكذا.

وهكذا يتم نقل الخصائص البيولوجية عبر هذا النوع من الانتقال الوراثي الجيني. ومع ذلك، فإن العالم الميكروبي يتميز بديناميكية مختلفة، وبدأنا نلاحظ ذلك في بعض هذه المسوحات الميتاجينومية، والتي تتعلق بما يسمى الانتقال الأفقي، حيث يتم نقل الجينات أو أوبيرونات كاملة من كائنات حية مختلفة تماماً من خلال عملية نقل DNA، وإذا تم التعبير عن هذا الـ DNA في الكائن المتلقي وكان له قيمة انتقائية إيجابية، فإنه يمكن أن يبدأ في الانتشار بين العديد من الكائنات المختلفة. وقد لاحظنا هذا مؤخراً باستخدام أنواع التقنيات التي ندرسها في المختبر، وتتمثل طريقة عمل ذلك في قدرتنا على عزل قطع جينومية كبيرة جداً من المجتمعات الميكروبية.

ونقوم بذلك في نقاط زمنية ومكانية مختلفة. وفي هذه الحالة، تمكنا من عزل أجزاء كبيرة من الجينومات على طول تدرج طاقي، وهو تدرج الضوء الذي يخترق المحيط. وهذا تدرج محدد بدقة في المواقع التي ندرسها في المحيط المفتوح.

تعتبر المنطقة الضوئية عميقة للغاية في الواقع؛ حيث تمتد وصولاً إلى 200 متر تحت سطح البحر. وبالطبع، تتغير الطاقة من حيث النوع والكمية.

معما يتم تخفيف الضوء، يزداد لونه زرقة كلما زاد العمق، بحيث لا يتوفر سوى نطاق أضيق من الأطوال الموجية للكائنات التي تعيش في الأعماق. كما أن طاقة الضوء تقل أيضاً. لذا، يمكن البدء في دراسة كيفية تكيف وتغير الكائنات التي تستخدم الضوء وفقاً لدالة تدرج الطاقة، واختلاف جودة الضوء وكميته.

والأمر المثير للاهتمام هو أنه يمكنك تتبع جينات معينة وأنواع الكائنات الدقيقة المرتبطة بها على طول تدرجات الضوء هذه. وباختصار، ما وجدناه هو أن بعض الجينات المحددة المشاركة في حصاد الطاقة الضوئية، والتي تسمى rodopsins، سهلة التعبير عنها وتتطلب عدداً قليلاً جداً من الجينات لتكوين النظام الضوئي، لدرجة أنها انتقلت بين جميع أنواع الميكروبات المختلفة.

والسبب الذي يجعلنا نقول ذلك هو أننا قمنا بعزل شظايا جينومية من مجموعات معروفة ومتباعدة للغاية، مثل البكتيريا والعتائق (Archaea). وقد وجدنا نظاماً ضوئياً مماثلاً بخصائص متطابقة تقريباً. لذا، يمكنك تتبع هذه الأجزاء من الجينات الوظيفية أثناء انتقالها بين الكائنات الحية في البيئة.

الأمر لا يقتصر فقط على رسم خرائط الجينات في الكائنات الحية، بل يمتد ليشمل رسم خرائط هذه الجينات على طول التدرج البيئي. لذا فإن الأمر الآخر الذي نلاحظه من خلال فحص هذه الشظايا الجينية الكبيرة التي تحتوي على أنظمة التمثيل الضوئي هذه، هو أنها وفيرة للغاية في المنطقة الضوئية من أعماق تبدأ من صفر متر تقريبًا وحتى 130 مترًا. ولكن بمجرد الوصول إلى قاعدة المنطقة الضوئية وما تحتها مباشرةً، تختفي تلك الجينات.

لقد اختفت هذه الكائنات على الرغم من وجود الأنواع ذاتها في أعماق أكبر. وهذا يوضح لنا أنه في حالة غياب الانتقاء، أي في غياب الضوء الذي يسمح لهذه الجينات بالعمل، فإنها تُفقد لدى جميع أنواع الكائنات المختلفة تبعا للعمق. لذا، فإن السبب الذي يجعل هذا الأمر مثيرًا للاهتمام هو أنه، أولاً، يخبرنا عن آلية محددة لتوليد الطاقة تستخدم الضوء، ومكان تواجدها في البيئة، وكيفية توزيعها بين الكائنات الحية، والديناميكية التي تؤدي إلى انتقالها.

لكنه يثير الاهتمام أيضًا بشكل عام، فهو يمثل طريقة جديدة للتفكير في كيفية رسم خرائط الجينات والجينومات، ليس فقط على الكائنات الحية، بل وأين تظهر هذه الكائنات في الزمان والمكان وأين تظهر تلك الجينات في الزمان والمكان وأين تكمن نقطة التقاطع. إننا ما زلنا في بداية تعلم كيفية القيام بذلك. وكان ذلك مثالاً لمجموعة واحدة فقط من الجينات.

ولكن يمكن طرح سؤال عام، وهو: كم عدد فئات هذه الجينات "العالمية" التي تميل للتنقل بكثرة؟ إننا لا نعرف الإجابة على هذا السؤال في أي موطن محدد، ولا مدى شيوع ذلك، ولا ما هي آليات نقل تلك الجينات. هل هو الحمض النووي الحر في البيئة؟ أم أنها الفيروسات التي تنقل الجينات من كائن حي إلى آخر؟

كل هذه الأمور مجهولة إلى حد كبير، ولكن أصبح من الممكن الآن الوصول إليها باستخدام هذا النوع من التقنيات، والمتمثلة في رسم خرائط الجينات على الكائنات الحية الموجودة طبيعياً، ورسم خرائط تلك الكائنات على البيئة وفهم مدى تباينها. لذا، فإننا نعيش حقاً عصراً جديداً في علم الأحياء الدقيقة، وأصبح لدينا وصول جديد لمشاهدة "الصورة المتحركة" للديناميكيات الجينومية في البيئة، وهذا وضعنا حقاً في مكانة جديدة تتيح لنا فهماً أفضل لكيفية عمل العالم الميكروبي في الطبيعة. ومن التحديات بالطبع، وهذا تحدٍ لكل من العلوم البيئية وأود أن أقول العلوم الطبية الحيوية أيضاً، هو كيفية جمع كافة أنواع البيانات الصحيحة.

وفي هذه الحالة، أنا أشير إلى البيانات الوصفية (metadata)، وهي بالطبع بيانات حول البيانات. إذا فكرت في المثال الذي ذكرتُه عن المحيط، فهناك عدد من الأشياء التي تود معرفتها؛ تود معرفة مقدار الإشعاع الطيفي، وكيف، وكيف، ما هو التدفق الفوتوني، وما هي الأطوال الموجية للضوء النافذ، وما كانت درجة حرارة تلك المياه، والملوحة، والضغط، لأن لكل من هذه المتغيرات تأثيرات هامة فيما يتعلق بكيفية تطور الكائنات الحية.

لذا، فبالإضافة إلى الحصول على بيانات حول الجينومات والكائنات الحية، نحتاج إلى الحصول على بيانات غنية إلى حد ما عن البيئة يمكننا مقارنتها بأوقات أخرى، وأماكن أخرى، وبيانات باحثين آخرين. وبينما يعمل علماء البيئة مع مجموعات بيانات كهذه منذ فترة طويلة، فإن هذا الاندماج بين المعلوماتية الحيوية وعلم الجينوم وعلوم البيئة يعد حديثاً نسبياً. وقواعد البيانات كما هي موجودة الآن ليست مهيأة بالضرورة لاستيعاب مثل هذه البيانات.

لذا، هناك نوع من التطور الذي يحدث حالياً، وأود القول إنه يحدث من الجانب البيئي، وبصفتي عالمة محيطات وبيولوجيا بحرية، فإنه يحدث أيضاً من جانب علوم المحيطات، حيث نحاول تبادل الخبرات مع المختصين في علم الجينوم والمعلوماتية الحيوية والعكس صحيح. يمكنني أن أعطيكم مثالاً على ذلك؛ فأنا مشاركة في مركز للعلوم والتكنولوجيا تابع لمؤسسة NSF يسمى مركز أبحاث وتعليم ميكروبيولوجيا المحيطات أو Seymour.

ونحن في Seymour مهتمون حقاً برصد هذه الديناميكية بأكملها، أي التسلسل المتصل من الجينومات إلى المناطق الحيوية (biomes)، وجميع هذه المستويات المختلفة من التعقيد البيولوجي بدءاً من الجينوم إلى الترانسكريبتوم، ثم البروتوم، وصولاً إلى الخلايا، والمجتمعات الأحيائية، والأنظمة البيئية. إنها كمية كبيرة ومتنوعة من المعلومات، وهو أمر طموح للغاية.

وبناءً على ذلك، فإن هذا المشروع، وهو مركز NSF للعلوم والتكنولوجيا، Seymour، مقره في هاواي، وهو عبارة عن مجموعة من علماء المحيطات، وعلماء الأحياء الدقيقة، وعلماء الأحياء الجزيئية الذين يسعون للتعاون معاً لتحديد كيفية توصيف نظام معين بهذه الطريقة. وفي هذه الحالة، يتمثل النظام إلى حد كبير في الطبقة العليا من المحيط في وسط المحيط الهادئ. والسبب المهم للقيام بذلك هو أن هذا النظام يستوعب مكوناً بيولوجياً شاسعاً يغطي كوكبنا، بنسبة ثلثي مساحة الأرض؛ وبالتعاون معهم، يعمل Seymour في الواقع بالتعاون مع مشروع آخر تموله مؤسسة Moore ويسمى camera.

يقود لاري سمارت وكريج فينتر مشروع Camera ليكون بمثابة منصة لجمع كميات هائلة من البيانات الجينومية التي تم استخلاصها من البيئة، وتقديمها جنباً إلى جنب مع البيانات التوليفية أو البيئية؛ وهي البيانات البيئية التي جُمعت في الوقت ذاته الذي جُمعت فيه البيانات الجينومية. لذا فإن هذا العمل يعد جديداً كلياً.

إن الأمر لا يزال في بدايته وسيتطلب المزيد من التنسيق والمناقشات حول معايير البيانات ومعايير البيانات الوصفية. وكيف يمكن بناء قاعدة بيانات قادرة على استيعاب مثل هذه المعلومات؟ لأن التركيز حالياً ينصب بشكل كبير على المحيط، وهذا ما يمنحنا نقطة تركيز محددة.

ولكن يمكنك أن تتخيل أن الأشخاص الذين يدرسون الميكروبيوم البشري سيحتاجون بالتأكيد إلى أنواع مماثلة من مجموعات البيانات إلى جانب البيانات السريرية، وبيانات حول الأفراد، وما إلى ذلك. إنها مجموعة مختلفة تمامًا من المشكلات، ولكنها في كثير من النواحي تمثل النوع ذاته من المشكلات، وهو التقاط البيانات الجينومية من المجموعات الميكروبية الطبيعية جنبًا إلى جنب مع جميع البيانات الوصفية المرتبطة وذات الصلة حول أماكن عيشها، والظروف التي كانت سائدة، وما إلى ذلك. والأمل، بطبيعة الحال، هو وجود قواعد بيانات علاقيّة ضخمة تتيح للمرء طرح أسئلة مثيرة للاهتمام إلى حد كبير حول أنواع أو فئات جينية معينة.

يمكنك التفكير في جينات معينة نربطها عادةً بالقدرة الإمراضية مثل pill I، وهل هناك أنواع محددة من pill I ترتبط دائمًا بالبيئات السريرية أو الممرضة، أم أن هذه الـ pill I أكثر انتشارًا وتكيفت ببساطة مع ظروف معينة فيما يتعلق بتكوين الممرضات وما إلى ذلك. هناك الكثير من التداخل الذي يمكن أن يحدث بين مجموعات البيانات هذه من حيث فهم كيفية تطور العالم الميكروبي وكيف يمكن لتكيفات معينة أن تؤدي إلى مجموعة من العلاقات البيئية أو أنماط الحياة. هل أنا كائن يعيش بشكل حر؟

هل أنا ملحق، هل أنا مسبب للمرض؟ كل هذه الأمور مترابطة. لذا، فإن قواعد البيانات العلائقية هذه، مع نموها، ستكون على الأرجح مهمة للغاية لكل من التطبيقات العملية وكذلك تطوير النظرية.

وهم لم يصلوا إلى هناك بعد؛ فما زال أمامهم طريق طويل على مدى السنوات الخمس أو العشر القادمة. وأعتقد أنه ستحدث مجموعة من التطورات، بالطبع، في سياق الجينوم البشري والطب البشري وعلم الوراثة.

لقد كان الوصول إلى تسلسل جينوم بتكلفة ألف دولار بمثابة الهدف الأسمى، والتقنيات تتطور بسرعة كبيرة، على الأقل فيما يتعلق بإعادة التسلسل. لذا، فإن أحد التأثيرات الكبيرة سيكون خفض الحاجز المادي للحصول على المعلومات الجينومية، وأقصد بذلك الجوانب الاقتصادية فقط.

ستكون العملية أرخص بكثير وأسرع بكثير. ومن المرجح أن تتوفر في المستقبل القريب أجهزة بحجم ساعة اليد تمكنك من تسلسل جينومك الخاص إذا أردت ذلك، وهو أمر يقع بالتأكيد في نطاق الإمكانية.

عندما يحدث ذلك، تتغير قواعد اللعبة قليلاً. في الوقت الحالي، تتم الكثير من عمليات التسلسل الجينومي في مراكز متخصصة كبيرة جداً تضم أعداداً كبيرة من الأشخاص. ما سيحدث في التسلسل الجينومي، بكل تأكيد، وهو يحدث بالفعل الآن، هو أنه سيصبح أكثر توزيعاً.

والأمر المثير للاهتمام في ذلك هو أنه يفرض تحديات جديدة على جمع البيانات ومعاييرها ونشرها، حيث تصبح المصادر النقطية لتوليد البيانات أكثر توزيعاً بشكل متزايد. لذا فهذا تحدٍّ متميز، وهو يرتبط مرة أخرى بقضية قواعد البيانات بأكملها.

هناك أمر آخر بدأ يحدث وسيزداد حدوثه، وهو أننا نفكر عادةً في الحصول على البيانات الجينومية كمشروع نقوم فيه بإيداع البيانات في قاعدة بيانات، ثم تصبح قاعدة بيانات وننتقل بعد ذلك إلى شيء آخر. في الواقع، يمتلك تسلسل الحمض النووي DNA تطبيقات قوية جداً في العلوم التجريبية. ومع ظهور بعض التقنيات الجديدة، أعتقد أننا سنرى أن الباحثين سيقومون بجمع البيانات الجينومية بأسلوب تجريبي أكثر من مجرد كونه نمطاً لجمع البيانات وإيداعها.

ويمكن للمرء أن يتخيل تتبع المجموعات السكانية في البيئة من خلال النظر في التعبير الجيني، ودمج أنماط التعبير الجيني مع الأنماط البروتومية. كل هذه الأمور ستحدث بالفعل. وبناءً عليه، فمن المرجح أننا سننظر إلى تسلسل الجينوم كأداة تجريبية أكثر من كونه مجرد وسيلة لتوسيع قواعد البيانات.

لذا، فإن هذه الأنواع من الأمور جميعها في طور الحدوث، وبالطبع، سيكون محورها جميعاً هو عملية التقاط البيانات، والبنية التحتية الحسابية، سواء من حيث العتاد أو البرمجيات، للتعامل مع كل هذه البيانات نظراً لضخامة كمياتها. وعلاوة على ذلك، هناك نوع من تطوير النظرية؛ فإذا فكرت في النظرية البيولوجية وتطبيقها على علم البيئة على وجه الخصوص، ستجد أن جزءاً كبيراً منها يعتمد على الكائنات الكبيرة، وتحديداً الكائنات التي تتكاثر جنسياً، وفي الواقع فإن بعض قواعد اللعبة وبعض النظريات لا تنطبق بالضرورة على العالم الميكروبي. لذا أعتقد أنه بالنسبة لعلماء الرياضيات والنظريين، هناك إمكانات هائلة في المستقبل لاستخدام هذه البيانات التي يتم جمعها الآن والتي ستُجمع مستقبلاً، كنوع من نماذج البيانات، إذا جاز التعبير، لتطوير نظريات جديدة ونظريات تنبؤية.

وفي نهاية المطاف، يكمن الهدف الحقيقي في فهم كيفية عمل كوكبنا، ويرجع ذلك جزئياً إلى أن الهواء الذي نتنفسه، وتدفقات المادة والطاقة التي توازن الدورات العنصرية على الأرض، يتم تنظيمها إلى حد كبير من خلال الأنشطة الجماعية للأنواع الميكروبية. وبما أننا كبشر نضغط حالياً وبقوة على بعض دورات الطاقة والمادة، لنأخذ CO2 في الغلاف الجوي على سبيل المثال، يصبح من الأكثر أهمية فهم ديناميكيات وتفاصيل كيفية حدوث التوازن الطبيعي بينما نؤثر نحن عليه، ونبدأ في التفكير في طرق تمكننا من العيش بتوازن أكبر قليلاً مع دورات المادة والطاقة على كوكبنا. لذا، أعتقد أن بعض هذا النوع من العلوم التأسيسية، والتي قد تبدو كعلم اختزالي، ستتطور في الواقع من خلال الميتاجينوميات وبعض التقنيات الأخرى التي تحدثت عنها والنظريات المرتبطة بها، لتتحول إلى علم أكثر شمولية من حيث فهم الأنظمة المعقدة، ليس فقط على مستوى الخلية، بل على مستوى كوكبنا.

وبالتالي، فإننا في الوقت الحالي، ومع بعض هذه التقنيات التي عرضناها لكم في المختبر، وبالنظر إلى الوضع الراهن لهذا المجال، لا نزال في الخطوات الأولى والبدائية. ولكنني أعتقد أننا بدأنا نرى لمحات بسيطة عما قد تؤول إليه هذه الجهود. وسيكون من المثير للاهتمام إذا تمكنا من اكتشاف كيفية تنسيق ذلك، لأن الأمر يتطلب مهارات مجموعة واسعة من التقنيين، والمنظرين، وعلماء الرياضيات، والمهندسين لمحاولة تجميع كل هذه العناصر معاً.

لذا، إنها أوقات مثيرة، ومن المؤكد أنها ستزداد إثارة في هذه المرحلة.